汽車消聲器改進(jìn)方案仿真分析

王爽，李曉峰，陳志勇

（1.大連交通大學(xué) 車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；

2.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130022）

汽車消聲器改進(jìn)方案仿真分析

王爽1，李曉峰1，陳志勇2

（1.大連交通大學(xué) 車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；

2.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130022）

本研究在發(fā)動機(jī)加速工況下對消聲器進(jìn)行噪聲測試，使用聲學(xué)有限元軟件 Virtual. Lab對已選定的消聲器進(jìn)行傳遞損失計算，在對噪聲頻譜和傳遞損失進(jìn)行分析之后，確定了消聲器傳遞損失需要提高的頻譜段，并針對性地給出兩種改進(jìn)方案，比較分析得出較優(yōu)方案，以滿足某汽車生產(chǎn)企業(yè)對排氣噪聲的要求。

消聲器；聲學(xué)分析；傳遞損失

CLC NO.:U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-111-04

前言

隨著人們生活水平的提高，汽車的使用變得越來越普遍，與此同時，汽車噪聲也成為影響人們生活質(zhì)量的重要問題之一。發(fā)動機(jī)噪聲是汽車的主要噪聲源，而排氣噪聲作為發(fā)動機(jī)的最大噪聲源[1-4]，降低排氣噪聲就成為降低汽車噪聲的重要任務(wù)。

目前，降低汽車排氣噪聲最主要的手段是安裝消聲器。根據(jù)消聲原理與消音器結(jié)構(gòu)，可分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復(fù)合型消聲器三類?？剐韵暺魇窃谙暺鲀?nèi)部通過管道、隔板等部件組成擴(kuò)張室、共振室等各種消聲單元，使聲波在傳播時發(fā)生反射和干涉，降低聲能量，以達(dá)到消聲目的。抗性消聲器消聲頻帶有限，通常對低、中頻帶消聲效果好，高頻消聲效果差。阻性消聲器是在消聲器內(nèi)部排氣管道周圍填充吸聲材料吸收聲能量，以達(dá)到消聲目的。阻性消聲器對中、高頻消聲效果好，但很少單獨(dú)用作汽車排氣消聲器，通常與抗性消聲器組合使用。阻抗復(fù)合型消聲器是用抗性消聲單元和吸聲材料組合構(gòu)成的消聲器，它具有抗性、阻性消聲器的共同特點(diǎn)，對低、中、高頻噪聲都有很好的消聲效果。

本文以某國產(chǎn)轎車的主消聲器為研究對象，對兩種不同結(jié)構(gòu)的阻抗復(fù)合型消聲器進(jìn)行對比分析，以下分別稱為E5消聲器和L6消聲器。

1 排氣噪聲試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)GB1495-2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》的規(guī)定，汽車噪聲限值是根據(jù)汽車加速通過測量區(qū)域時的車外噪聲來制定的，因此需對汽車加速工況下的噪聲加以控制[5]。參考GB/T 4759-2009《內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器測量方法》，聲學(xué)傳感器的布置位置如圖1所示：在排氣尾管同一水平平面內(nèi)，與尾管軸線呈45度角，且距離排氣口中心50cm處。

圖1(a) 汽車排氣尾管位置

圖1(b) 傳感器布置位置

依據(jù)汽車生產(chǎn)企業(yè)要求，本研究對E5和L6兩種消聲器在發(fā)動機(jī)加速工況下進(jìn)行了噪聲測試。測試儀器包括比利時LMS聲振采集系統(tǒng)、美國GRAS聲學(xué)麥克、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器等。試驗(yàn)工況為3擋全油門加速工況，帶寬為20480Hz。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

測得的加速噪聲曲線如圖2所示，紅線代表測得的總聲壓級曲線，藍(lán)線代表噪聲控制線。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在2300rpm左右及超過3000rpm時，使用E5消聲器噪聲值超過該企業(yè)給出的噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)，但超標(biāo)不多。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于2000rpm時，使用L6消聲器噪聲明顯超標(biāo)?？梢姡珽5消音器在加速工況下的降噪狀況更接近生產(chǎn)企業(yè)的要求，因此本研究選擇使用E5消聲器作為原始模型，通過改進(jìn)消音器結(jié)構(gòu)，降低發(fā)動機(jī)在加速工況下的排氣噪聲。

圖2 排氣噪聲曲線

圖3為加速工況下E5消聲器的各階噪聲曲線，當(dāng)轉(zhuǎn)速在2300rpm左右時，各階次噪聲曲線峰值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和頻率如表1所示，其中6階和8階噪聲超過控制線，對應(yīng)的頻率為210Hz-240Hz、300-330Hz。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3000rpm后，各階噪聲頻率如表2所示，此時的噪聲基本都是低于500Hz的低頻噪聲。因此，需要通過增加消聲器在上述頻率范圍的傳遞損失，來降低排氣噪聲。

圖3 E5消聲器階次曲線

2 原消聲器傳遞損失計算

2.1 傳遞損失的定義

傳遞損失（Transmission Loss）是指消聲器的進(jìn)口端聲功率與出口端聲功率的差值，通常情況下消聲器進(jìn)口端與出口端的通道截面相同，聲壓沿著截面近似均勻分布，這時傳遞損失等于進(jìn)出口端聲壓級和出口端聲壓級之差。其計算式為：

式中，LW1和LW2分別為入射聲壓級和透射聲壓級。傳遞損失僅僅反映消聲器本身的傳遞特性，與消聲器結(jié)構(gòu)有關(guān)，而不受管道系統(tǒng)及消聲器出口尾管的影響，即與聲源、消聲器出口端的阻抗無關(guān)，是評價消聲元件消聲效果最簡單的一種方法。

2.2 有限元網(wǎng)格劃分

如圖4所示，兩種消聲器的結(jié)構(gòu)基本相同，都有3個隔板和4個腔體，最主要的區(qū)別是L6消聲器內(nèi)部的第三塊隔板前移，導(dǎo)致消聲器第三腔體容積變小，第四腔體容積變大。但是E5消聲器的消聲效果更好，因此對E5消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加210Hz-240Hz和300-330Hz范圍噪聲的傳遞損失。

圖4 E5消聲器結(jié)構(gòu)圖

將消聲器結(jié)構(gòu)保存為STP格式，并導(dǎo)入到Hypermesh中，幾何清理后生成消聲器內(nèi)部空腔實(shí)體，并對空腔劃分網(wǎng)格。消聲器內(nèi)部有許多小孔，導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量較多，共有150萬左右網(wǎng)格，類型為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為1mm-8mm。劃分后的網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 消聲器有限元網(wǎng)格

2.3 傳遞損失仿真計算

排氣消聲器作為提高汽車聲學(xué)性能的關(guān)鍵部件，且傳遞損失僅反映消聲器本身的傳遞特性[6]，采用合理有效的方法準(zhǔn)確獲取其傳聲損失，是對消聲器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能分析及優(yōu)化改進(jìn)的重要依據(jù)。將有限元網(wǎng)格導(dǎo)入到聲學(xué)有限元軟件Virtual.Lab中，對E5消聲器進(jìn)行噪聲傳遞損失計算[7]。

2.3.1 邊界條件

傳遞損失是消聲器的固有屬性，所以可以通過在消聲器入口添加單位振動速度來計算出口處的聲壓響應(yīng)從而得到傳遞損失。整個消聲器為剛性壁管組成，所以聲波不會由管壁透出，只會在管壁位置發(fā)生完全反射，只有出口位置會使聲波透出，為代表出口與外界大氣相通可以將出口位置的阻抗設(shè)為與大氣阻抗相同。

設(shè)置邊界條件：

（1）入口邊界條件：入射波為平面波，在入口處施加單位振動速度υ=-1m/s。

（2）出口邊界條件：在出口處施加無反射邊界條件，即在出口處定義聲阻抗。

（3）壁面邊界條件：不考慮壁面吸收，認(rèn)為壁面是剛性壁面。

2.3.2 溫度條件

對于空氣，常溫下聲速為340m/s，密度為1.225Kg/m3，但是發(fā)動機(jī)排出的廢氣溫度較高，渦輪增壓器后的廢氣溫度為522℃，經(jīng)過排氣管道后溫度逐漸降低，設(shè)廢氣流經(jīng)消聲器時的溫度為460℃，此時流速為646.07m/s，密度為0.3393Kg/m3。

2.3.3 吸聲材料處理

消聲器第二腔體內(nèi)填充玻璃刺絲吸聲材料，因?yàn)槠湮晠?shù)未知，且吸聲材料主要吸收高頻噪聲，對低頻噪聲效果不明顯，故忽略吸聲材料，將第三空腔全部設(shè)為空氣屬性。

2.4 仿真結(jié)果

計算結(jié)果如圖6所示，可以看出，在1000Hz以內(nèi)，A1消聲器總體的消聲效果比A2要好，和試驗(yàn)結(jié)果一致，說明傳遞損失的仿真結(jié)果是可信的。

E5消聲器在頻率為210-300Hz時存在一個波谷，該頻率范圍的噪聲衰減量較小。因此需要優(yōu)化原消聲器結(jié)構(gòu)，提高頻譜段為100Hz-500Hz的噪聲傳遞損失。

圖6 消聲器傳遞損失曲線

3 改進(jìn)方案

3.1 改進(jìn)結(jié)構(gòu)

通過對以上頻譜和傳遞損失的分析，確定了本次研究主要的任務(wù)是提高原始消聲器結(jié)構(gòu)頻譜段為100Hz-500Hz的噪聲傳遞損失。由于消聲器的低頻噪聲主要由其結(jié)構(gòu)決定[8]，經(jīng)過多次修改和仿真計算，本研究給出如下兩種改進(jìn)方案。

方案1：增加赫姆霍茲共振腔

圖7 消聲器改進(jìn)結(jié)構(gòu)-方案1

方案2：去除第三塊隔板

圖8 消聲器改進(jìn)結(jié)構(gòu)-方案2

3.2 改進(jìn)效果分析

方案1中，200Hz-500Hz范圍內(nèi)的傳遞損失均優(yōu)于原始結(jié)構(gòu)，但100Hz-200Hz范圍內(nèi)傳遞損失遠(yuǎn)小于原始結(jié)構(gòu)。由表1和表2可知，頻率為200Hz-500Hz的噪聲占多數(shù)，故從仿真結(jié)果來看，此方案可以參考。

圖9 改進(jìn)前后的傳遞損失曲線

方案2中，200Hz-350Hz范圍內(nèi)的傳遞損失均優(yōu)于原始結(jié)構(gòu)，但是100Hz-200Hz和350Hz-500Hz范圍內(nèi)傳遞損失小于原始結(jié)構(gòu)。

綜合考慮，方案1的效果更理想。

4 結(jié)論

本研究在發(fā)動機(jī)加速工況下對E5、L6型消聲器進(jìn)行了排氣噪聲測試，選定E5型消聲器作為原始模型，并運(yùn)用Virtual. Lab軟件對該型消聲器進(jìn)行傳遞損失計算，確定了本次研究的主要任務(wù)為提高原消聲器結(jié)構(gòu)在100Hz-500Hz頻譜段的噪聲傳遞損失。經(jīng)過多次修改和仿真計算，提出增加赫姆霍茲共振腔方案和去除第三塊隔板方案，并對兩種方案的傳遞損失進(jìn)行計算。結(jié)果顯示第一套方案的效果更符合汽車生產(chǎn)企業(yè)要求。

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Acoustic performance simulation analysis and structural optimization of automobile muffler

Wang Shuang1, Li Xiaofeng1, Chen Zhiyong2
( 1.Dalian Jiaotong University Vehicle engineering institute, Liaoning Dalian 116028; 2.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control of Jilin University, Jilin Changchun 130022）

In this study, the noise of the muffler is tested under the condition of engine acceleration, and the acoustics finite element software Virtual. Lab is used to calculating the transmission loss of the selected muffler. By analyzing the spectrum and transmission loss, the spectrum segment of the transmission loss of the muffler is determined. Giving two improved schemes in a targeted way, and choice the better one by comparing and analyzing, to satisfy the exhaust noise requirements of a car enterprise.

muffler; acoustics analysis; transmission loss

U467.3 標(biāo)識碼：A

1671-7988 (2017)15-111-04

王爽，大連交通大學(xué)、碩士在讀、研究方向?yàn)檐囕v結(jié)構(gòu)設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計方法。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.041